ACMA 201209-12 Mai, 2012

Fés, Maroc.

Analyse expérimentale d’une structure composite de type sandwich

K. Ait tahar *, K. Saidani *.H. Ait aider

*Laboratoire LaMoMS, Université Mouloud Mammeri de Tizi ouzou - Algérie

Résumé

Une structure de type sandwich est obtenue à partir de deux peaux ou semelles, ayant

de très bonnes caractéristiques mécaniques, collées sur une âme réalisée avec un matériau

très léger de faible résistance. La résistance et le module d’élasticité des peaux

conditionnent le comportement à la flexion d'un sandwich. En flexion, les peaux du

sandwich sont sollicitées en traction et en compression, tandis que l'âme est sollicitée en

cisaillement.

Notre étude porte sur la caractérisation expérimentale sous flexion 3- points d’un

nouveau matériau composite sandwich à âme combinée. Le sandwich proposé est

constitué de deux peaux armées de grilles métalliques imprégnées d’une matrice époxyde

de type STR et d'une âme hybride composée de carton dont la cannelure présente une

forme ondulée et de tissu. Plusieurs configurations des âmes à base de carton cellulosique

avec le tissu ont été considérées.

Une investigation expérimentale est conduite pour analyser le comportement de ces

structures. Les résultats montrent que le mode de rupture est fortement influencé par la

séquence d’empilement considérée.

Mots clés : sandwich, élaboration, analyse expérimentale, rupture, modélisation

1. Introduction

La résistance et le module d’élasticité des peaux conditionnent le comportement à la flexion

d'un sandwich. En flexion, l'âme résiste au cisaillement. L’âme se présente en général sous

forme : d’âme pleine : exclusivement de mousses plastiques et d’âme alvéolaire :

essentiellement des structures nids d’abeilles de différentes natures ; L’âme est recherchée pour

sa résistance au cisaillement et pour ses propriétés thermiques. Les liaisons à l’interface

âme/peau sont un élément capital pour les performances du sandwich. La structure composite

sandwich présente de nombreux intérêts : légèreté, excellent rapport rigidité/masse, pouvoirs

isolants (thermiques et phoniques) importants. En revanche, elle présente certains

inconvénients, à titre d’exemple on peut citer : le risque de flambement et une tenue thermique

variable suivant les natures des composants. Ce travail porte sur une proposition de conception

de sandwich composé de deux peaux stratifiées en fibres métalliques imprégnés de résine

époxyde de type STR et d’une âme constituée d’une combinaison de deux matériaux : tissus et

d’un assemblage rigide de feuilles planes. (carton ondulé), issus de la récupération. La

valorisation de la fibre écologique, la fibre biodégradable (origine végétale) et de fibres résultant

de la récupération telles que la feuille cellulosique et tissus, par une utilisation dans la

conception d'un sandwich composite est une question d'actualité, compte tenu de sa

disponibilité et son impact sur l'environnement.

2. Présentation du sandwich

2.1 Matériaux utilisés

Le renfort métallique utilisé dans le stratifié est une grille de fils d’acier de diamètre 0,17 mm.

Sa résistance à la rupture est de 512,9 MPa. L’âme combinée est constituée de carton ondulé,

qui peut être décrit comme un assemblage rigide de feuilles planes. Ce carton ondulé est

enveloppé d’un tissu, composé de fils tissés de nature de coton et de lin. Le collage est toujours

assuré par la résine STR. Après le collage des différents constituants, une compression

mécanique est appliquée durant 48 H. Du fait de la structure du carton ondulée, il est difficile

d’estimer l’influence de la forme ondulée de la cannelure. Le carton est alors modélisé, en

remplaçant le milieu hétérogène anisotrope par un milieu homogène orthotrope équivalent. Les

propriétés de la résine sont données dans le tableau 1 et les propriétés mécaniques des

constituants sont données par le tableau 2. Plusieurs éprouvettes de types sandwichs à âme

combinée ont été élaborées. Les sandwichs sont constituées de peaux en stratifiés de fibres

métalliques et d’une âme constituée de deux matériaux issus de la récupération (carton et tissu).

Les collages des différents éléments du sandwich ont été réalisés à base d’une résine STR

conçue par Granitex Algérie. Les stratifiés ont été réalisée selon le mode de formage à moule

ouvert, à une température ambiante. Les plaques obtenues ont été démoulées et rectifiées à

l’aide d’une scie diamanté et lubrifié. Les éprouvettes ont été laissées au repos entre neuf (09)

et onze (11) jours (recommandation du fournisseur). Plusieurs configurations des séquences

d'empilement du carton cellulosique avec le tissu ont été considérées. Six (06) éprouvettes pour

chaque type sont réalisées, afin d’éviter une grande dispersion des résultats.

Tableau 1 : Propriétés de la résine STRConstituant densité Rm compression [MPa] Rm traction par flexion [MPa]

Résine Medapoxy STR 13,5 0,05 70 25

Tableau 2 : Propriétés mécaniquesconstituant densité E [GPa] Elastique [MPa] A%

Tissu (Tissu) 1,5-1.6 5,5-12,6 287-597 7-8

Carton 1,45 19-21 350-700 3-7

0,48

0,5

0,52

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64Force (Kn)

M -4J-1CM -3J-2C M -2J-1C

a-Grille métallique b- Carton c- Tissu

Figure 1: Matériaux utilisés

2.2. Mode d’essai

Les essais ont été réalisés sur une machine de marque IBERTEST, équipée d’une cellule de

force maximale de 200 KN. Cette machine est pilotée par ordinateur à l’aide d’un logiciel de

commande et de traitement des résultats (wintest). La vitesse de chargement est de 10 N / s.

3. Résultats et analyse

Les différents résultats des essais de flexion 3-points sont illustrés par la figure 2 les

résultats obtenus par les essais indiquent les valeurs moyennes obtenues à partir d’une dizaine

d’éprouvettes..

Figure 2. Courbes contraintes – déformations Figure 3. Histogramme des résistances

L’analyse des différents résultats nous permet de conclure que :

Les courbes présentent un comportement mécanique non linéaire. Le sandwich à âme

constitué d’un seul carton, enveloppé du tissu possède une meilleure limite élastique

comparativement au sandwich composé de deux empilement de couches de carton. En effet, le

carton ondulé rend le sandwich plus fragile. Comparativement au sandwich traditionnel à âme

pleine en polystyrène, le sandwich à âme combinée présente des résistances meilleures. Enfin,

ces résultats préliminaires mettent en exergue l’influence de la séquence d’empilement carton-

tissu, sur les résistances mécaniques.

4. Analyse numérique

4.1. Simulation numérique

La modélisation par éléments finis du sandwich à âme combinée, consiste en un empilement de

7 plis alternés de couches de métal de 3mm d’épaisseur, de deux couches de Tissu de 1mm

d’épaisseur chacune et d’une couche de carton de 4mm d’épaisseur. Le comportement de toutes

les couches est supposée isotrope. L’interface entre les couches des plis du composite est

modélisée en utilisant des éléments cohésifs disponibles dans Abaqus. Un quart de la poutre

composite est modélisée. La poutre est sollicitée en flexion 3- points. Pour simuler les

conditions d'essai, le spécimen est soumis à une charge verticale croissante jusqu'à la rupture;

Les paramètres mécaniques sont décrits dans le tableau donné dans la section 2. On considère

que les matériaux sont homogènes et isotropes. La comparaison des valeurs des contraintes et

des déplacements entre les deux types de sandwichs montre clairement le gain enregistré dans

la résistance et la rigidité.

Figure 4. Modèle éléments finis. Figure 5. Distribution des contraintes de

Von Mises (a ) et des déplacements (b)

Figure 6. Comparaison des courbes contrainte– déplacement numérique et expérimentale.

La figure 6 montre qu’il y a une bonne concordance des résultats donnés respectivement par

l’analyse numérique et l’analyse expérimentale, plus particulièrement dans le domaine linaire.

4.2. Densités de probabilité

La connaissance pratique repose sur une étude d’un ensemble homogène d’objets. La

statistique est un ensemble de méthodes permettant de dégager les caractéristiques ou de

répartir des objets en fonction de critères d’étude déterminés. Les différents résultats de

l’analyse probabiliste obtenus à partir de logiciel STATISTICA sont illustrés par les courbes

des densités de probabilité des différents échantillons. L'estimation de la variabilité de la

résistance d'un matériau être obtenue par la détermination de la probabilité de défaillance du

matériau sous l'effet d'un chargement quelconque. Le caractère dispersif du comportement du

matériau est introduit par les fonctions de distributions des résistances.

Figure 7 . Densité de probabilité des trois matériaux

5. Facies de rupture

L’analyse microstructurale des éprouvettes soumises à des essais de flexion 3-points est réaliséepar microscopie électronique à balayage, les résultats sont illustrés par la figure 8. La nature despeaux influe clairement sur la forme d’adhérence. Le carton apparaît sur les microstructures encouleur sombre par contre les fibres de tissu apparaît avec une couleur blanchâtre. Le sandwichà âme combinée à base de deux tissus et un carton a subi une déformation de flexion au milieude l’éprouvette, aucun délaminage, au niveau de la zone centrale, n’a été observé. Au stade de larupture, un délaminage est observé au niveau du carton dans la cannelure avec un légerdécollement au niveau de l’interface fibre carton. Ces observations sont valables pour toutes leséprouvettes de sandwich à âme combinée, quelque soit la séquence d’empilement adoptée, saufpour le cas du sandwich à âme composée de trois tissus et de deux cartons, où un délaminageau niveau de l’interface carton-tissu est observé.

a) b) c)

Figure 8. Microstructure des sandwichs, a)- 2Tissu-1carton, b)- 4Tissu-1carton, c)- 3Tissu-2carton

Carton

Fibre

Carton

Fibre Carton

Carton

Fibre

5. Conclusion

Cette étude porte sur la valorisation de déchets de carton et de tissu à travers une application

rationnelle et effective dans le domaine si vaste des structures composites. Le panneau

sandwich à âme combinée de matériaux issus de la récupération est nouveau de par sa

structure. Les différents résultats obtenus, nous ont permis de constater que l’ajout d’une

grande quantité de carton fragilise la structure composite. Les résultats préliminaires mettent

en exergue l’influence de la séquence d’empilement carton- tissu, sur les résistances

mécaniques. L’analyse des faciès de rupture des différents sandwichs ont permis de relever les

différents modes de rupture et l’influence de la combinaison utilisée dans la réalisation du

sandwich.

A l’avenir, il convient de connaitre parfaitement les caractéristiques mécaniques des

constituants, plus particulièrement celles du carton ondulé, du composite carton enveloppé dans

un tissu (caractère anisotrope inhomogène), pour mettre en évidence le comportement réel de ce

type de sandwich.

Références

[1] J.M., Berthelot: Matériaux composites, comportement mécanique et analyse desstructures, Ed. Lavoisier, 2005, ISBN : 2-7430-0771-0, pp 172

[2] M. Reyne. : Technologie des plastiques, 3eme édition revue et augmentée. –paris :Hermès, 1998. ISBN 2 - 86601 – 665 – 3, pp 17

[3]H.CH. Spatz, L. Köhler et K.J. Niklas: Mechanical behaviour of plant tissue:composite materials or structures, The Journal of Experimental Biology, 202, p.3269-3272 (1999

[4] C. Baley, B. Lamy. : Propriétés mécaniques des fibres de lin utilisées commerenforts de matériaux composites". Revue des composites et des matériauxavancés ; Hermès, 10 (1), p. 7-24 (2000)

[5] U.Hoke, L. Gottsching, Résistance à la compression du papier du carton ondulé etdes caisses, traduction française, institut pour la fabrication du papier, V.39, N°10A, V 65-V 73, Oct. 1985.

[6] K. Ait tahar , N. Harb ., Physical and mechanical properties of the reinforced

polyester: characterization - probabilistic analysis, Journal Key Engineering

Materials Vol. 482 (2011) pp 67-78 ,Trans Tech Publications, Switzerland.